内燃機関のエアクリーナ装置及び内燃機関の制御装置
【課題】歪みセンサを利用して、エアフィルタよりも下流側の吸気通路の圧力変動を検出可能な新規なエアクリーナ装置を提供する。
【解決手段】エアクリーナ２１は、内燃機関の吸気通路２０に設けられ、フィルタケース７１内に収容されたエアフィルタ７２により吸入空気中の異物を捕集する。エアフィルタ７２よりも下流側となるフィルタケース７１のケース底壁部７７に、歪みセンサ８０を取り付ける。エアフィルタ７２の下流側の圧力変動によるケース底壁部７７の歪みを歪みセンサ８０により検出する。
【解決手段】エアクリーナ２１は、内燃機関の吸気通路２０に設けられ、フィルタケース７１内に収容されたエアフィルタ７２により吸入空気中の異物を捕集する。エアフィルタ７２よりも下流側となるフィルタケース７１のケース底壁部７７に、歪みセンサ８０を取り付ける。エアフィルタ７２の下流側の圧力変動によるケース底壁部７７の歪みを歪みセンサ８０により検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のエアクリーナ装置及びこのエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の吸気通路には、空気中の粉塵等の異物を捕集するエアフィルタをフィルタケース内に収容したエアクリーナが設けられている。このようなエアクリーナでは、エアフィルタの目詰まりを生じると、機関出力の低下や燃費の悪化を招くことから、例えば特許文献１等に記載のように、エアクリーナの下流側に設けられた流量計により検出される吸入空気量などを利用してエアフィルタの目詰まりを検出し、これを運転者に報知してエアフィルタの交換を促す装置が従来より知られている。
【０００３】
一方、特許文献２等に記載のように、従来の抵抗線式歪みゲージに代えて、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成するとともに、増幅回路を同じ基板上に形成した半導体型の歪みセンサが本出願人等によって種々提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０８０４２１号公報
【特許文献２】特開２００５−１１４４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エアフィルタに目詰まりが生じると、通気抵抗が増加してエアフィルタよりも下流側の吸気通路内の負圧が大きくなる。このフィルタ下流側の負圧を圧力センサにより直接的に検出することも考えられるが、このような圧力センサは、検出対象の内部空間にセンサ素子を臨ませた姿勢でフィルタケース等に組み付ける必要があるために、加工工数や部品点数の増加を招くとともに、ある程度の設置スペースを確保する必要があり、レイアウトの自由度が低い。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、内燃機関の吸気通路に設けられ、フィルタケース内に収容されたエアフィルタにより吸入空気中の異物を捕集するエアクリーナを備える内燃機関のエアクリーナ装置において、エアフィルタよりも下流側となるフィルタケースの壁部に、歪みセンサを取り付けたものである。
【０００７】
エアフィルタの目詰まりや吸気の吹き返し等によって、エアフィルタよりも下流側の吸気通路内の圧力が変動すると、大気圧との圧力差によって、フィルタ下流側のフィルタケースの壁部に歪みを生じる。従って、この歪みを歪みセンサにより検出することで、エアフィルタの目詰まりや吸気の吹き返し等に起因するフィルタ下流側の吸気通路内の圧力変動を判定・検出することが可能となる。
【０００８】
歪みセンサとしては、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成した半導体型歪みセンサが好適である。このような半導体型歪みセンサは、極めて高い感度が得られることから、フィルタケースの極僅かな歪みを高精度に検出することが可能となる。また、このような半導体歪みセンサは、１〜２ｍｍ角程度以下の小型，軽量の構成であり、かつ、フィルタケースの壁部に直接的に貼着することが可能であるために、レイアウトの自由度が高く、取付作業も容易であり、通気抵抗の増加も少ない。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エアフィルタよりも下流側の吸気通路内の圧力変動を検出可能な新規な内燃機関のエアクリーナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例に係るエアクリーナ装置が適用された内燃機関のシステム構成を示す構成図。
【図２】エンジンコントロールユニットの入出力系を示すブロック図。
【図３】歪みセンサを備えたエアクリーナ装置を簡略的に示す上面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）。
【図４】汚損エアクリーナ及び新品エアクリーナにおける吸入空気量と歪みの関係を示す説明図。
【図５】エアクリーナの診断処理の流れを示すフローチャート。
【図６】ＥＧＲ量の補正制御の流れを示すフローチャート。
【図７】吸気流れ方向の推定処理の流れを示すフローチャート。
【図８】バックファイアの判定処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１を参照して、この内燃機関１０は、各気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射する、いわゆるＭＰＩ（多気筒燃料噴射）方式の直列４気筒火花点火式ガソリン内燃機関である。各気筒の燃焼室１１には、混合気を火花点火する点火プラグ１２が設けられるとともに、吸気弁１３を介して吸気ポート１４、排気弁１５を介して排気ポート１６が接続している。吸気通路２０には、上流側より順に、吸入する空気中の粉塵等の異物を捕集するエアクリーナ２１と、吸入空気量を検出するホットワイヤ式のエアフローセンサ２２と、吸入空気量を調整するスロットル弁２３と、各気筒の吸気ポート１４へ向けて燃料を噴射するインジェクタ２４と、が設けられている。エアクリーナ２１の上流側には外気導入ダクト（図示省略）が設けられ、エアクリーナ２１とスロットル弁２３とはクリーンサイド吸気ダクト２５により接続されている。スロットル弁２３は、スロットル駆動モータ２６により駆動される電動式のものであり、そのスロットル開度を検出するスロットル開度センサ２７が設けられている。スロットル弁２３の下流側には吸気コレクタ２８が設けられ、この吸気コレクタ２８を通過した空気は、吸気マニホールド２９により各気筒の吸気ポート１４へ分配され、吸気弁１３を介して燃焼室１１へ供給される。
【００１２】
排気通路３１には、排気ガスを浄化する三元触媒等の触媒３２が設けられるとともに、この触媒３２の下流側に消音用のマフラ３３が設けられている。触媒３２の上流側には、排気の空燃比を検出する酸素濃度センサ等の空燃比センサ３４が取り付けられている。この空燃比センサ３４の信号に基づいて、目標空燃比（理論空燃比）を維持するように燃料噴射量を調整する空燃比フィードバック制御が行われる。
【００１３】
また、排気通路３１内の排気ガスを、エアクリーナ２１の下流側かつスロットル弁２３の上流側の吸気通路２０へ還流するＥＧＲ（排気還流）装置として、排気通路３１と吸気通路２０とを接続するバイパス通路３６には、ＥＧＲ弁３７が設けられている。このＥＧＲ弁３７は、機関運転状態に応じてＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調整可能な電動式のものである。
【００１４】
バルブ駆動系として、吸気弁１３及び排気弁１５のそれぞれに、バルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構３８，３９が設けられている。これらの可変バルブタイミング機構３８，３９により、吸気弁１３及び排気弁１５のバルブタイミングが機関運転状態に応じて駆動制御される。なお、バルブ駆動系としては、このような可変式のものに限らず、バルブリフト特性が一定の固定式のバルブ駆動系であっても良い。燃料系には、燃料タンク４０内の燃料を燃料配管４１へ送給するフューエルポンプ４２と、燃料配管４１内の燃料を一定圧力に調圧するプレッシャレギュレータ４３と、が設けられている。
【００１５】
内燃機関１０のシリンダブロック１０Ａには、エンジン回転数（回転速度）を検出するクランク角センサ４４と、エンジンオイルの温度を検出する油温センサ４５と、ウォータジャケット内の冷却水温を検出する水温センサ４６と、が取り付けられている。また、内燃機関１０のシリンダヘッド１０Ｂには、カムシャフトの回転角を検出するカム角センサ４７が取り付けられている。更に、エアコンスイッチ４８、トランスミッションに内蔵されたニュートラルスイッチ４９、車載のバッテリ電源ユニット５０の温度を検出するバッテリ温度センサ５１、アクセルペダル５２の開度を検出するアクセル開度センサ５３等が設けられている。
【００１６】
コントロールユニット６０は、各種演算処理を実行するＣＰＵ６１と、このＣＰＵ６１に電力を供給する電源ＩＣ６２と、を有するマイクロコンピュータ式のものである。このコントロールユニット６０に入力する信号等について、図２を用いて整理すると、コントロールユニット６０には、上述したセンサ・スイッチ類の他に、機関始動・停止用のイグニッションスイッチ６３、吸気温度を検出する吸気温センサ６４、補機負荷スイッチ６５、並びに後述する歪みセンサ８０等の各々よりセンサ信号ないしはスイッチ信号が入力される。
【００１７】
コントロールユニット６０は、これらのセンサ・スイッチ類から入力された信号に基づいて、各気筒のインジェクタ２４及び点火プラグ１２のパワートランジスタ（点火スイッチ）１２Ａ、スロットル駆動モータ２６、可変バルブタイミング機構３８，３９のソレノイド、及びフューエルポンプ４２の各々に信号を出力して、その動作を制御する。
【００１８】
次に、本実施例の要部をなす歪みセンサを備えたエアクリーナ装置について、図３を参照して説明する。エアクリーナ２１は、合成樹脂材料の射出成形などにより２分割して成形された箱状をなすフィルタケース７１と、このフィルタケース７１の内部に収容されたエアフィルタ７２と、により大略構成されている。フィルタケース７１の通気方向（図３の左右方向）の一端側には、外気導入ダクト（図示省略）に接続する入口管部７３が設けられるとともに、通気方向の他端側には、クリーンサイド吸気ダクト２５に接続する出口管部７４が設けられている。
【００１９】
エアフィルタ７２はフィルターケース７１の対角線に沿うように斜めに配置されており、このように斜めに配置されたエアフィルタ７２によって、フィルタケース７１の内部空間が、入口管部７３に連通する通路上流側のダストサイド７５と、出口管部７４に連通する通路下流側のクリーンサイド７６と、に仕切られており、入口管部７３より導入された吸入空気がエアフィルタ７２を通過する際に粉塵等の異物を捕集するように構成されている。フィルタケース７１は、僅かな弾性変形が可能なものであればよく、本実施例のような合成樹脂材料のほか、薄肉のアルミニウム等の金属材料により形成しても良い。エアフィルタ７２は、適宜な目の粗さの紙や不織布からなる濾材により構成されている。
【００２０】
そして本実施例では、エアフィルタ７２よりも下流側のクリーンサイド７６を形成するフィルタケース７１のケース底壁部７７に、少なくとも一つの歪みセンサ８０が取り付けられている。この歪みセンサ８０は、フィルタケース７１の微小な弾性変形である歪みに対応した検出信号を検出し、これをコントロールユニット６０へ出力するものである。
【００２１】
例えば、エアフィルタ７２に目詰まりが生じて通気抵抗が増加し、エアフィルタ７２よりも下流側のクリーンサイド７６に負圧が生じると、大気圧との圧力差によりケース底壁部７７が内側へ凹むような歪みを生じるため、この歪みを歪みセンサ８０により検出することで、エアフィルタ７２の目詰まりを検出することが可能となる。
【００２２】
この歪みセンサ８０は、例えば接着剤を用いてフィルタケース７１の壁部の内面もしくは外面に接着により貼着され、あるいは接合もしくは嵌合等によって取り付けられる。図３の例では、歪みセンサ８０をフィルタケース７１の壁部の内面に取り付けており、この場合、雨水等による汚損の影響を受けることがないので、信頼性や耐久性に優れている。このように歪みセンサ８０を内面側に取り付ける場合、好ましくは、ワイヤレスで歪みセンサ８０への給電ならびにコントロールユニット６０への出力信号の送信が可能な構成とする。一方、歪みセンサ８０をフィルタケース７１の壁部の外面に取り付ける場合、通気抵抗の増加を回避でき、また、内面側に取り付ける場合に比して取付作業や配線作業が容易なものとなる。
【００２３】
歪みセンサ８０は、フィルタケース７１の壁部のうちでも内部圧力の変動に応じて歪みや撓みを生じ易い部位に設けることが好ましく、図３の例では、ケース壁部のうちで、最も面積の広いケース底壁部７７の中央部に取り付けられている。但し、歪みセンサの設置位置はこれに限らず、例えば入口管部７３や出口管部７４が設けられた前後壁部や側壁部に歪みセンサを取り付けても良い。また、検出感度を高めるために、歪みセンサが取り付けられるフィルタケースの壁部を薄肉化したり、補強用のリブを省略することなどによって、その剛性を弱めて変形し易くするようにしても良い。
【００２４】
歪みセンサ８０の具体的な構造については、特開２００６−２２０５７４号公報に記載されているように公知であるために、ここでは詳細な説明は省略するが、基本的には、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成するとともに、増幅回路を同じ基板上に形成した半導体型歪みセンサから構成されている。
【００２５】
このような半導体型歪みセンサ８０の感度は非常に高く、フィルタケース７１の極僅かな歪みを高精度に測定することができる。また、１〜２ｍｍ角程度の小型・軽量の構成であるために、レイアウトの自由度が高く、取付作業も容易である。特に、増幅回路を一体化した半導体型歪みセンサ８０にあっては、耐ノイズ性が高く、内燃機関の点火系等のノイズの影響を受けることがない。
【００２６】
特に本実施例のエアクリーナ装置にあっては、歪みセンサ８０が取り付けられるケース底壁部７７が広い受圧面として機能し、この広い受圧面により内部の圧力を平均圧力として検出する形となるために、例えば局部的な目詰まりの発生により圧力分布が不均一な場合であっても、安定した圧力判定が可能である。
【００２７】
このような歪みセンサ８０の検出信号を利用した制御処理の一例として、先ず、図４及び図５を参照して、エアクリーナの汚損・目詰まりの診断について説明する。図４に示すように、汚損により目詰まりを生じた汚損エアクリーナでは、汚損のない新品エアクリーナに比して、通気抵抗が増加することから、フィルタ下流側のクリーンサイド７６の負圧が大きくなり、ケース底壁部７７の歪みが大きくなる。また、吸入空気量が多くなるほど、エアフィルタ７２を通過する吸気の流速が高くなり、負圧が大きくなるために、上記の歪みも大きくなる。このことから、エアフローセンサ２２等を用いて吸入空気量を検出・推定し、この吸入空気量と、歪みセンサ８０により得られる上記の歪みと、を用いて、エアクリーナ２１の目詰まりの診断を行うことができる。
【００２８】
図５は、このようなエアクリーナ２１の診断処理の流れを簡略的に示すフローチャートである。ステップＳ１１では、歪みセンサ８０の検出信号に基づいて、クリーンサイド７６を形成するケース底壁部７７の歪みを計測する。ステップＳ１２では、この歪みと、エアフローセンサ２２等により検出・推定される吸入空気量と、に基づいて、エアクリーナ２１の汚れ度合いに相当する汚れ係数を算出する。この汚れ係数は、エアクリーナの汚れ度合いの指標となるもので、検出した歪みに吸入空気量の補正を加えて求められ、同一の吸入空気量の下では歪みが大きくなるほど汚れ係数の値も大きくなる関係にある。ステップＳ１３では、この汚れ係数が、予め設定された所定のしきい値を超えたか否かを判定する。汚れ係数がしきい値を超えていれば、汚損により目詰まりが生じていると判断して、ステップＳ１４へ進み、エアフィルタ７２の交換要求を出力する。この交換要求の出力に応じて、警告灯や音声により交換要求が運転者に報知され、また、必要に応じてフェールセーフ制御が実施される。
【００２９】
次に、図６を参照して、上記歪みセンサ８０の検出信号を用いたＥＧＲ量の補正制御について説明する。エアフィルタ７２の目詰まりなどによりＥＧＲが導入される吸気通路２０の負圧が大きくなると、この負圧の影響によりＥＧＲ量が不用意に増加し、燃焼安定性を悪化させるおそれがある。そこでこの例では、歪みセンサ８０の検出信号を利用して、エアクリーナ２１よりも下流側の吸気通路の圧力（負圧）状態を検出し、これに応じてＥＧＲ量の補正を行うようにしている。
【００３０】
図６は、このようなＥＧＲ量の補正制御の流れを簡略的に示すフローチャートである。ステップＳ２１，Ｓ２２では、上記のステップＳ１１，Ｓ１２と同様、歪みセンサ８０の検出信号に基づいて、エアクリーナ２１の汚れ係数を算出する。そしてステップＳ２３では、この汚れ係数に基づいてＥＧＲ補正量を算出する。具体的には、汚れ係数が大きいほど、エアクリーナの汚損が進行しており、フィルタ下流側の吸気通路の負圧が大きくなることから、ＥＧＲ量を低下させるように、ＥＧＲ量の低下側への補正量を大きくする。これにより、エアクリーナの汚損に起因してＥＧＲ量が過剰となることを抑制し、エアクリーナの汚損状況にかかわらず機関運転状態に応じた適切なＥＧＲ量を供給することができる。
【００３１】
次に図７を参照して、歪みセンサ８０を利用した吸気流れ方向の推定処理について説明する。ステップＳ３１では、上記のステップＳ１１，Ｓ２１と同様に、ケース底壁部７７の歪みに対応する歪みセンサ８０の検出信号を計測する。ステップＳ３２では、この歪みセンサ８０の検出信号に基づいて、フィルタ下流側の吸気通路の圧力を推定する。ステップＳ３３では、推定した圧力に基づいて、吸気通路内の吸気流れ方向を推定する。
【００３２】
ここで、吸気弁１３のバルブタイミング等に応じて、燃焼室１１から吸気通路２０への吹き返しが発生する。例えば、排気が終了する前に吸気弁が開くと吸気側への吹き返しが発生し、また、吸気弁の閉弁時期が下死点よりも遅角する場合にも、圧縮行程中に吸気側への吹き返しが発生する。このような吸気側への吹き返しは各気筒の燃焼サイクルに応じて周期的に発生する。このような吹き返しの影響により、フィルタ下流側の吸気通路内の流れ方向が変化すると、これに伴い、吸気通路内の圧力が変動して、ケース底壁部７７の歪みや応力の発生状態も変化する。従って、この圧力変動を歪みセンサ８０の検出信号を用いて推定することで、吸気通路内の吸気流れ方向を推定することができる。このように推定した吸気流れ方向に基づいて、例えば、ホットワイヤ式エアフローセンサ２２により検出した吸入空気量の補正が行われる。また、吸気流れ方向に基づいて吸気弁のバルブタイミングを補正することにより、吸気脈動効果を利用した体積効率の向上や、燃焼室から吸気通路への過度な吹き返しの発生を抑制することができる。
【００３３】
図８は、歪みセンサ８０を利用して、燃焼室から吸気通路側へ火炎が逆流する、いわゆるバックファイアの判定処理を示している。バックファイアが生じると、燃焼室から吸気通路側への急激な逆流が発生し、吸気通路に大きな圧力が作用することから、歪みセンサ８０により得られる吸気通路内の圧力からバックファイアの発生を検出・推定することができる。
【００３４】
ステップＳ４１，ステップＳ４２では、上記のステップＳ３１，３２と同様に、歪みセンサ８０の検出信号に基づいて、フィルタ下流側の吸気通路２０の圧力を推定する。ステップＳ４３では、この推定した圧力が、バックファイアの判定用に予め設定された所定のしきい値を超えるか否かを判定する。推定した圧力がしきい値を超えている場合、ステップＳ４４へ進み、バックファイアが発生していると判定する。このようにバックファイアの発生を検出した場合、バックファイアを抑制・解消するために、例えば点火時期の補正制御などが実施される。
【００３５】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例ではポート噴射式の内燃機関に本発明を適用しているが、筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射式の内燃機関や、圧縮自己着火方式のディーゼル内燃機関に本発明を適用することもできる。
【符号の説明】
【００３６】
１０…内燃機関
２０…吸気通路
２１…エアクリーナ
２２…ホットワイヤ式エアフローセンサ
２３…スロットル弁
６０…コントロールユニット
７１…フィルタケース
７２…エアフィルタ
８０…歪みセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のエアクリーナ装置及びこのエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の吸気通路には、空気中の粉塵等の異物を捕集するエアフィルタをフィルタケース内に収容したエアクリーナが設けられている。このようなエアクリーナでは、エアフィルタの目詰まりを生じると、機関出力の低下や燃費の悪化を招くことから、例えば特許文献１等に記載のように、エアクリーナの下流側に設けられた流量計により検出される吸入空気量などを利用してエアフィルタの目詰まりを検出し、これを運転者に報知してエアフィルタの交換を促す装置が従来より知られている。
【０００３】
一方、特許文献２等に記載のように、従来の抵抗線式歪みゲージに代えて、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成するとともに、増幅回路を同じ基板上に形成した半導体型の歪みセンサが本出願人等によって種々提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０８０４２１号公報
【特許文献２】特開２００５−１１４４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エアフィルタに目詰まりが生じると、通気抵抗が増加してエアフィルタよりも下流側の吸気通路内の負圧が大きくなる。このフィルタ下流側の負圧を圧力センサにより直接的に検出することも考えられるが、このような圧力センサは、検出対象の内部空間にセンサ素子を臨ませた姿勢でフィルタケース等に組み付ける必要があるために、加工工数や部品点数の増加を招くとともに、ある程度の設置スペースを確保する必要があり、レイアウトの自由度が低い。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、内燃機関の吸気通路に設けられ、フィルタケース内に収容されたエアフィルタにより吸入空気中の異物を捕集するエアクリーナを備える内燃機関のエアクリーナ装置において、エアフィルタよりも下流側となるフィルタケースの壁部に、歪みセンサを取り付けたものである。
【０００７】
エアフィルタの目詰まりや吸気の吹き返し等によって、エアフィルタよりも下流側の吸気通路内の圧力が変動すると、大気圧との圧力差によって、フィルタ下流側のフィルタケースの壁部に歪みを生じる。従って、この歪みを歪みセンサにより検出することで、エアフィルタの目詰まりや吸気の吹き返し等に起因するフィルタ下流側の吸気通路内の圧力変動を判定・検出することが可能となる。
【０００８】
歪みセンサとしては、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成した半導体型歪みセンサが好適である。このような半導体型歪みセンサは、極めて高い感度が得られることから、フィルタケースの極僅かな歪みを高精度に検出することが可能となる。また、このような半導体歪みセンサは、１〜２ｍｍ角程度以下の小型，軽量の構成であり、かつ、フィルタケースの壁部に直接的に貼着することが可能であるために、レイアウトの自由度が高く、取付作業も容易であり、通気抵抗の増加も少ない。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エアフィルタよりも下流側の吸気通路内の圧力変動を検出可能な新規な内燃機関のエアクリーナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例に係るエアクリーナ装置が適用された内燃機関のシステム構成を示す構成図。
【図２】エンジンコントロールユニットの入出力系を示すブロック図。
【図３】歪みセンサを備えたエアクリーナ装置を簡略的に示す上面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）。
【図４】汚損エアクリーナ及び新品エアクリーナにおける吸入空気量と歪みの関係を示す説明図。
【図５】エアクリーナの診断処理の流れを示すフローチャート。
【図６】ＥＧＲ量の補正制御の流れを示すフローチャート。
【図７】吸気流れ方向の推定処理の流れを示すフローチャート。
【図８】バックファイアの判定処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１を参照して、この内燃機関１０は、各気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射する、いわゆるＭＰＩ（多気筒燃料噴射）方式の直列４気筒火花点火式ガソリン内燃機関である。各気筒の燃焼室１１には、混合気を火花点火する点火プラグ１２が設けられるとともに、吸気弁１３を介して吸気ポート１４、排気弁１５を介して排気ポート１６が接続している。吸気通路２０には、上流側より順に、吸入する空気中の粉塵等の異物を捕集するエアクリーナ２１と、吸入空気量を検出するホットワイヤ式のエアフローセンサ２２と、吸入空気量を調整するスロットル弁２３と、各気筒の吸気ポート１４へ向けて燃料を噴射するインジェクタ２４と、が設けられている。エアクリーナ２１の上流側には外気導入ダクト（図示省略）が設けられ、エアクリーナ２１とスロットル弁２３とはクリーンサイド吸気ダクト２５により接続されている。スロットル弁２３は、スロットル駆動モータ２６により駆動される電動式のものであり、そのスロットル開度を検出するスロットル開度センサ２７が設けられている。スロットル弁２３の下流側には吸気コレクタ２８が設けられ、この吸気コレクタ２８を通過した空気は、吸気マニホールド２９により各気筒の吸気ポート１４へ分配され、吸気弁１３を介して燃焼室１１へ供給される。
【００１２】
排気通路３１には、排気ガスを浄化する三元触媒等の触媒３２が設けられるとともに、この触媒３２の下流側に消音用のマフラ３３が設けられている。触媒３２の上流側には、排気の空燃比を検出する酸素濃度センサ等の空燃比センサ３４が取り付けられている。この空燃比センサ３４の信号に基づいて、目標空燃比（理論空燃比）を維持するように燃料噴射量を調整する空燃比フィードバック制御が行われる。
【００１３】
また、排気通路３１内の排気ガスを、エアクリーナ２１の下流側かつスロットル弁２３の上流側の吸気通路２０へ還流するＥＧＲ（排気還流）装置として、排気通路３１と吸気通路２０とを接続するバイパス通路３６には、ＥＧＲ弁３７が設けられている。このＥＧＲ弁３７は、機関運転状態に応じてＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調整可能な電動式のものである。
【００１４】
バルブ駆動系として、吸気弁１３及び排気弁１５のそれぞれに、バルブタイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構３８，３９が設けられている。これらの可変バルブタイミング機構３８，３９により、吸気弁１３及び排気弁１５のバルブタイミングが機関運転状態に応じて駆動制御される。なお、バルブ駆動系としては、このような可変式のものに限らず、バルブリフト特性が一定の固定式のバルブ駆動系であっても良い。燃料系には、燃料タンク４０内の燃料を燃料配管４１へ送給するフューエルポンプ４２と、燃料配管４１内の燃料を一定圧力に調圧するプレッシャレギュレータ４３と、が設けられている。
【００１５】
内燃機関１０のシリンダブロック１０Ａには、エンジン回転数（回転速度）を検出するクランク角センサ４４と、エンジンオイルの温度を検出する油温センサ４５と、ウォータジャケット内の冷却水温を検出する水温センサ４６と、が取り付けられている。また、内燃機関１０のシリンダヘッド１０Ｂには、カムシャフトの回転角を検出するカム角センサ４７が取り付けられている。更に、エアコンスイッチ４８、トランスミッションに内蔵されたニュートラルスイッチ４９、車載のバッテリ電源ユニット５０の温度を検出するバッテリ温度センサ５１、アクセルペダル５２の開度を検出するアクセル開度センサ５３等が設けられている。
【００１６】
コントロールユニット６０は、各種演算処理を実行するＣＰＵ６１と、このＣＰＵ６１に電力を供給する電源ＩＣ６２と、を有するマイクロコンピュータ式のものである。このコントロールユニット６０に入力する信号等について、図２を用いて整理すると、コントロールユニット６０には、上述したセンサ・スイッチ類の他に、機関始動・停止用のイグニッションスイッチ６３、吸気温度を検出する吸気温センサ６４、補機負荷スイッチ６５、並びに後述する歪みセンサ８０等の各々よりセンサ信号ないしはスイッチ信号が入力される。
【００１７】
コントロールユニット６０は、これらのセンサ・スイッチ類から入力された信号に基づいて、各気筒のインジェクタ２４及び点火プラグ１２のパワートランジスタ（点火スイッチ）１２Ａ、スロットル駆動モータ２６、可変バルブタイミング機構３８，３９のソレノイド、及びフューエルポンプ４２の各々に信号を出力して、その動作を制御する。
【００１８】
次に、本実施例の要部をなす歪みセンサを備えたエアクリーナ装置について、図３を参照して説明する。エアクリーナ２１は、合成樹脂材料の射出成形などにより２分割して成形された箱状をなすフィルタケース７１と、このフィルタケース７１の内部に収容されたエアフィルタ７２と、により大略構成されている。フィルタケース７１の通気方向（図３の左右方向）の一端側には、外気導入ダクト（図示省略）に接続する入口管部７３が設けられるとともに、通気方向の他端側には、クリーンサイド吸気ダクト２５に接続する出口管部７４が設けられている。
【００１９】
エアフィルタ７２はフィルターケース７１の対角線に沿うように斜めに配置されており、このように斜めに配置されたエアフィルタ７２によって、フィルタケース７１の内部空間が、入口管部７３に連通する通路上流側のダストサイド７５と、出口管部７４に連通する通路下流側のクリーンサイド７６と、に仕切られており、入口管部７３より導入された吸入空気がエアフィルタ７２を通過する際に粉塵等の異物を捕集するように構成されている。フィルタケース７１は、僅かな弾性変形が可能なものであればよく、本実施例のような合成樹脂材料のほか、薄肉のアルミニウム等の金属材料により形成しても良い。エアフィルタ７２は、適宜な目の粗さの紙や不織布からなる濾材により構成されている。
【００２０】
そして本実施例では、エアフィルタ７２よりも下流側のクリーンサイド７６を形成するフィルタケース７１のケース底壁部７７に、少なくとも一つの歪みセンサ８０が取り付けられている。この歪みセンサ８０は、フィルタケース７１の微小な弾性変形である歪みに対応した検出信号を検出し、これをコントロールユニット６０へ出力するものである。
【００２１】
例えば、エアフィルタ７２に目詰まりが生じて通気抵抗が増加し、エアフィルタ７２よりも下流側のクリーンサイド７６に負圧が生じると、大気圧との圧力差によりケース底壁部７７が内側へ凹むような歪みを生じるため、この歪みを歪みセンサ８０により検出することで、エアフィルタ７２の目詰まりを検出することが可能となる。
【００２２】
この歪みセンサ８０は、例えば接着剤を用いてフィルタケース７１の壁部の内面もしくは外面に接着により貼着され、あるいは接合もしくは嵌合等によって取り付けられる。図３の例では、歪みセンサ８０をフィルタケース７１の壁部の内面に取り付けており、この場合、雨水等による汚損の影響を受けることがないので、信頼性や耐久性に優れている。このように歪みセンサ８０を内面側に取り付ける場合、好ましくは、ワイヤレスで歪みセンサ８０への給電ならびにコントロールユニット６０への出力信号の送信が可能な構成とする。一方、歪みセンサ８０をフィルタケース７１の壁部の外面に取り付ける場合、通気抵抗の増加を回避でき、また、内面側に取り付ける場合に比して取付作業や配線作業が容易なものとなる。
【００２３】
歪みセンサ８０は、フィルタケース７１の壁部のうちでも内部圧力の変動に応じて歪みや撓みを生じ易い部位に設けることが好ましく、図３の例では、ケース壁部のうちで、最も面積の広いケース底壁部７７の中央部に取り付けられている。但し、歪みセンサの設置位置はこれに限らず、例えば入口管部７３や出口管部７４が設けられた前後壁部や側壁部に歪みセンサを取り付けても良い。また、検出感度を高めるために、歪みセンサが取り付けられるフィルタケースの壁部を薄肉化したり、補強用のリブを省略することなどによって、その剛性を弱めて変形し易くするようにしても良い。
【００２４】
歪みセンサ８０の具体的な構造については、特開２００６−２２０５７４号公報に記載されているように公知であるために、ここでは詳細な説明は省略するが、基本的には、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成するとともに、増幅回路を同じ基板上に形成した半導体型歪みセンサから構成されている。
【００２５】
このような半導体型歪みセンサ８０の感度は非常に高く、フィルタケース７１の極僅かな歪みを高精度に測定することができる。また、１〜２ｍｍ角程度の小型・軽量の構成であるために、レイアウトの自由度が高く、取付作業も容易である。特に、増幅回路を一体化した半導体型歪みセンサ８０にあっては、耐ノイズ性が高く、内燃機関の点火系等のノイズの影響を受けることがない。
【００２６】
特に本実施例のエアクリーナ装置にあっては、歪みセンサ８０が取り付けられるケース底壁部７７が広い受圧面として機能し、この広い受圧面により内部の圧力を平均圧力として検出する形となるために、例えば局部的な目詰まりの発生により圧力分布が不均一な場合であっても、安定した圧力判定が可能である。
【００２７】
このような歪みセンサ８０の検出信号を利用した制御処理の一例として、先ず、図４及び図５を参照して、エアクリーナの汚損・目詰まりの診断について説明する。図４に示すように、汚損により目詰まりを生じた汚損エアクリーナでは、汚損のない新品エアクリーナに比して、通気抵抗が増加することから、フィルタ下流側のクリーンサイド７６の負圧が大きくなり、ケース底壁部７７の歪みが大きくなる。また、吸入空気量が多くなるほど、エアフィルタ７２を通過する吸気の流速が高くなり、負圧が大きくなるために、上記の歪みも大きくなる。このことから、エアフローセンサ２２等を用いて吸入空気量を検出・推定し、この吸入空気量と、歪みセンサ８０により得られる上記の歪みと、を用いて、エアクリーナ２１の目詰まりの診断を行うことができる。
【００２８】
図５は、このようなエアクリーナ２１の診断処理の流れを簡略的に示すフローチャートである。ステップＳ１１では、歪みセンサ８０の検出信号に基づいて、クリーンサイド７６を形成するケース底壁部７７の歪みを計測する。ステップＳ１２では、この歪みと、エアフローセンサ２２等により検出・推定される吸入空気量と、に基づいて、エアクリーナ２１の汚れ度合いに相当する汚れ係数を算出する。この汚れ係数は、エアクリーナの汚れ度合いの指標となるもので、検出した歪みに吸入空気量の補正を加えて求められ、同一の吸入空気量の下では歪みが大きくなるほど汚れ係数の値も大きくなる関係にある。ステップＳ１３では、この汚れ係数が、予め設定された所定のしきい値を超えたか否かを判定する。汚れ係数がしきい値を超えていれば、汚損により目詰まりが生じていると判断して、ステップＳ１４へ進み、エアフィルタ７２の交換要求を出力する。この交換要求の出力に応じて、警告灯や音声により交換要求が運転者に報知され、また、必要に応じてフェールセーフ制御が実施される。
【００２９】
次に、図６を参照して、上記歪みセンサ８０の検出信号を用いたＥＧＲ量の補正制御について説明する。エアフィルタ７２の目詰まりなどによりＥＧＲが導入される吸気通路２０の負圧が大きくなると、この負圧の影響によりＥＧＲ量が不用意に増加し、燃焼安定性を悪化させるおそれがある。そこでこの例では、歪みセンサ８０の検出信号を利用して、エアクリーナ２１よりも下流側の吸気通路の圧力（負圧）状態を検出し、これに応じてＥＧＲ量の補正を行うようにしている。
【００３０】
図６は、このようなＥＧＲ量の補正制御の流れを簡略的に示すフローチャートである。ステップＳ２１，Ｓ２２では、上記のステップＳ１１，Ｓ１２と同様、歪みセンサ８０の検出信号に基づいて、エアクリーナ２１の汚れ係数を算出する。そしてステップＳ２３では、この汚れ係数に基づいてＥＧＲ補正量を算出する。具体的には、汚れ係数が大きいほど、エアクリーナの汚損が進行しており、フィルタ下流側の吸気通路の負圧が大きくなることから、ＥＧＲ量を低下させるように、ＥＧＲ量の低下側への補正量を大きくする。これにより、エアクリーナの汚損に起因してＥＧＲ量が過剰となることを抑制し、エアクリーナの汚損状況にかかわらず機関運転状態に応じた適切なＥＧＲ量を供給することができる。
【００３１】
次に図７を参照して、歪みセンサ８０を利用した吸気流れ方向の推定処理について説明する。ステップＳ３１では、上記のステップＳ１１，Ｓ２１と同様に、ケース底壁部７７の歪みに対応する歪みセンサ８０の検出信号を計測する。ステップＳ３２では、この歪みセンサ８０の検出信号に基づいて、フィルタ下流側の吸気通路の圧力を推定する。ステップＳ３３では、推定した圧力に基づいて、吸気通路内の吸気流れ方向を推定する。
【００３２】
ここで、吸気弁１３のバルブタイミング等に応じて、燃焼室１１から吸気通路２０への吹き返しが発生する。例えば、排気が終了する前に吸気弁が開くと吸気側への吹き返しが発生し、また、吸気弁の閉弁時期が下死点よりも遅角する場合にも、圧縮行程中に吸気側への吹き返しが発生する。このような吸気側への吹き返しは各気筒の燃焼サイクルに応じて周期的に発生する。このような吹き返しの影響により、フィルタ下流側の吸気通路内の流れ方向が変化すると、これに伴い、吸気通路内の圧力が変動して、ケース底壁部７７の歪みや応力の発生状態も変化する。従って、この圧力変動を歪みセンサ８０の検出信号を用いて推定することで、吸気通路内の吸気流れ方向を推定することができる。このように推定した吸気流れ方向に基づいて、例えば、ホットワイヤ式エアフローセンサ２２により検出した吸入空気量の補正が行われる。また、吸気流れ方向に基づいて吸気弁のバルブタイミングを補正することにより、吸気脈動効果を利用した体積効率の向上や、燃焼室から吸気通路への過度な吹き返しの発生を抑制することができる。
【００３３】
図８は、歪みセンサ８０を利用して、燃焼室から吸気通路側へ火炎が逆流する、いわゆるバックファイアの判定処理を示している。バックファイアが生じると、燃焼室から吸気通路側への急激な逆流が発生し、吸気通路に大きな圧力が作用することから、歪みセンサ８０により得られる吸気通路内の圧力からバックファイアの発生を検出・推定することができる。
【００３４】
ステップＳ４１，ステップＳ４２では、上記のステップＳ３１，３２と同様に、歪みセンサ８０の検出信号に基づいて、フィルタ下流側の吸気通路２０の圧力を推定する。ステップＳ４３では、この推定した圧力が、バックファイアの判定用に予め設定された所定のしきい値を超えるか否かを判定する。推定した圧力がしきい値を超えている場合、ステップＳ４４へ進み、バックファイアが発生していると判定する。このようにバックファイアの発生を検出した場合、バックファイアを抑制・解消するために、例えば点火時期の補正制御などが実施される。
【００３５】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例ではポート噴射式の内燃機関に本発明を適用しているが、筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射式の内燃機関や、圧縮自己着火方式のディーゼル内燃機関に本発明を適用することもできる。
【符号の説明】
【００３６】
１０…内燃機関
２０…吸気通路
２１…エアクリーナ
２２…ホットワイヤ式エアフローセンサ
２３…スロットル弁
６０…コントロールユニット
７１…フィルタケース
７２…エアフィルタ
８０…歪みセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に設けられ、フィルタケース内に収容されたエアフィルタにより吸入空気中の異物を捕集するエアクリーナを備える内燃機関のエアクリーナ装置において、
上記エアフィルタよりも下流側となるフィルタケースの壁部に、歪みセンサを取り付けたことを特徴とする内燃機関のエアクリーナ装置。
【請求項２】
上記歪みセンサは、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成した半導体型歪みセンサであり、
この半導体型歪みセンサが、上記フィルタケースの壁部に貼着されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のエアクリーナ装置。
【請求項３】
上記歪みセンサの検出信号に基づいて、上記エアフィルタの目詰まりの判定を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項４】
上記エアクリーナより下流側の吸気通路へ還流する排気ガスのＥＧＲ量を機関運転状態に応じて調整可能なＥＧＲ弁を備え、
上記歪みセンサの検出信号に基づいて、上記ＥＧＲ量を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載のエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項５】
上記歪みセンサの検出信号に基づいて、吸気通路内の吸気流れ方向を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項６】
上記歪みセンサの検出信号に基づいて、燃焼室から吸気通路側へ火炎が逆流するバックファイヤの発生を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に設けられ、フィルタケース内に収容されたエアフィルタにより吸入空気中の異物を捕集するエアクリーナを備える内燃機関のエアクリーナ装置において、
上記エアフィルタよりも下流側となるフィルタケースの壁部に、歪みセンサを取り付けたことを特徴とする内燃機関のエアクリーナ装置。
【請求項２】
上記歪みセンサは、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成した半導体型歪みセンサであり、
この半導体型歪みセンサが、上記フィルタケースの壁部に貼着されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のエアクリーナ装置。
【請求項３】
上記歪みセンサの検出信号に基づいて、上記エアフィルタの目詰まりの判定を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項４】
上記エアクリーナより下流側の吸気通路へ還流する排気ガスのＥＧＲ量を機関運転状態に応じて調整可能なＥＧＲ弁を備え、
上記歪みセンサの検出信号に基づいて、上記ＥＧＲ量を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載のエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項５】
上記歪みセンサの検出信号に基づいて、吸気通路内の吸気流れ方向を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項６】
上記歪みセンサの検出信号に基づいて、燃焼室から吸気通路側へ火炎が逆流するバックファイヤの発生を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のエアクリーナ装置を備えた内燃機関の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−７６３６４（Ｐ２０１３−７６３６４Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１６４０８（Ｐ２０１１−２１６４０８）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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